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26
2026
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03
Angew: 超微孔碳分子筛中空纤维实现氦气回收
作者：
一、背景：氦气分离的技术挑战与发展需求
氦气作为一种稀缺且不可再生的战略资源，在航空航天、低温技术、半导体制造及医疗影像等领域具有不可替代的重要作用。目前，工业氦气主要来源于天然气中的回收过程，但其含量通常极低（<0.1–9.8 mol%），且传统低温精馏分离工艺能耗高、碳排放大，难以满足可持续发展的需求。膜分离技术因其能耗低、操作简便和模块化优势，被视为替代传统方法的理想方案。然而，实现**He/CH₄分离仍面临重大挑战：不仅需要在埃尺度实现**筛分，还需兼顾高氦气通量与模块级生产能力。碳分子筛（CMS）膜凭借可调控的超微孔结构和优异的分子筛分性能，在气体分离领域展现出巨大潜力，但其在氦气分离中的应用仍有待深入探索 。
二、创新：超微孔结构与纤维构型协同调控
近日，美国乔治亚理工学院William J. Koros院士团队提出了一种超微孔结构与中空纤维构型协同工程策略，成功构建了高性能Matrimid衍生CMS非对称中空纤维膜，实现了**的He/CH₄分离。
1. 超微孔结构精细调控
通过调节热解温度实现埃尺度孔径收缩，并结合后处理“超老化”技术进一步优化孔径分布，有效增强氦气与甲烷的分子筛分能力。
2. 非对称中空纤维结构设计
采用干喷湿纺工艺制备缺陷自由的Matrimid前驱体中空纤维，形成薄致密选择层与多孔支撑层的非对称结构，在保证高选择性的同时显著降低传质阻力。
3. 模块级性能优化
通过减小中空纤维外径，提高膜组件的填充密度，在不牺牲机械强度和分离性能的前提下显著提升氦气生产效率。
在5/95 He/CH₄混合气体系中，优化后的CMS-700中空纤维实现了超过1300的He/CH₄选择性和约26 GPU的氦气渗透率，氦气纯度可达98.6%，展现出优异的分离性能与稳定性 。
三、意义：构建工业化氦气回收的**膜平台
本研究通过材料结构与器件设计的协同优化，为**氦气分离提供了一种兼具高性能与可规模化应用的解决方案，具有重要的科学价值与工程意义：
突破分离性能极限：通过****调控超微孔结构，实现了氦气与甲烷之间的**分子筛分，显著提升选择性与通量的协同表现。
推动工业应用落地：中空纤维结构与模块级设计提升了氦气生产效率，展示了良好的工程放大潜力。
拓展CMS膜应用领域：该协同工程策略可推广至其他小分子/大分子气体体系，为复杂气体分离提供通用技术路径。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/uOuPaT2BG3hJqFKbPCab9g
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